- 熒光燈陰極預(yù)熱方式討論
- 智能PTC熱敏電阻與PTCR的比較
- 采用智能型PTC熱敏電阻
1.前言
目前的熒光燈絕大多數(shù)為陰極預(yù)熱式產(chǎn)品。人們?yōu)榱颂岣邿晒鉄艄艿墓庑Р⒀娱L其使用壽命，在配套電器方面作了大量深入的研究工作，包括鎮(zhèn)流器線路拓撲的選擇和陰極預(yù)熱方式的選擇等。以期電子器件與對應(yīng)的熒光燈管相匹配，達到充分發(fā)揮熒光燈管的光效和使照明環(huán)境更舒適更節(jié)能的效果。本文參照熒光燈IEC標準和我國GB標準中關(guān)于陰極預(yù)熱起動的要求，對常見的陰極預(yù)熱方式進行了分析，認為采用智能熱敏電阻是熒光燈陰極預(yù)熱啟動的最佳方案。
2.陰極預(yù)熱的目的
陰極預(yù)熱式熒光燈的電極是一個極為重要的零件。熒光燈使用時間的長短主要取決于電極的壽命。對交流電源來說，該電極既是陰極又是陽極。電極上涂有碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣為主的電子發(fā)射材料。這些材料只有當陰極的工作溫度在900℃～1000℃時才能充分發(fā)射電子。另一方面，陰極通過預(yù)熱放出大量電子，使燈的啟動電壓降低，通常降低到陰極未預(yù)熱啟動電壓的二分之一到三分之一。電壓的降低減少了相關(guān)電子元器件所承受的電應(yīng)力，從而降低了整燈的故障率，延長了使用壽命。為此，陰極預(yù)熱納入了IEC和我國GB標準，明確規(guī)定此類熒光燈在點亮前必須經(jīng)過陰極預(yù)熱，并對各種型號規(guī)格熒光燈的預(yù)熱時間和預(yù)熱電流參數(shù)提出了要求。
圖1電子鎮(zhèn)流器簡化電路圖
3.陰極預(yù)熱啟動技術(shù)的發(fā)展狀況
以往，熒光燈多采用電感式工頻鎮(zhèn)流器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子鎮(zhèn)流器以其體積小、重量輕、功耗少、無頻閃、無噪音、光效高等優(yōu)點，逐步取代電感式鎮(zhèn)流器已成為必然趨勢。在電子鎮(zhèn)流器發(fā)展過程中，陰極預(yù)熱問題一直是電子鎮(zhèn)流器技術(shù)研究的重點之一。
電子鎮(zhèn)流器的啟動電壓是由限流電感L和啟動電容C1組成的L-C1串聯(lián)諧振電路在C1兩端產(chǎn)生的諧振電壓。簡化電路如圖1所示。L-C1的品質(zhì)因數(shù)Q=1/ωC1R=ωL/R，式中R為L-C1回路的損耗電阻，ω為L-C1回路的工作角頻率。在L-C1回路對高頻振蕩電路的輸出電壓V1諧振時，限流電感L或C1上的電壓VR=QV1。合理設(shè)計限流電感L和電容C1的參數(shù)，可使C1上的諧振電壓VR達到使燈管點亮的值。陰極不進行預(yù)熱的電路，電源一接通燈即點亮，這對陰極損傷很厲害，會使燈管根部很快變黑，使燈管壽命變短。
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為解決熒光燈陰極預(yù)熱問題，人們利用了正溫度系數(shù)熱敏電阻（以下簡稱PTCR）。其溫阻特性曲線如圖2所示。曲線中的TB點是PTCR的開關(guān)溫度（阻值增大到最小值兩倍時的溫度）。PTCR的體溫高于TB點后，隨著溫度的升高，PTCR的電阻就會驟變到很高的值，利用PTCR的這一特性設(shè)計的預(yù)熱啟動電路如圖3所示。當電路接通的瞬間，高頻電源的輸出電壓V0加到燈管兩端，見圖4，此時，由于熱敏電阻PTCR對諧振回路構(gòu)成分流，使回路的Q值很低，燈管兩端不能形成高壓，也就不能點亮燈管。同時，高頻電流通過電感L燈絲Rf和熱敏電阻PTCR，對陰極進行預(yù)熱，經(jīng)過t1（GB規(guī)定大于0.4秒）的時間后，PTCR因通過電流，體溫升高，電阻值迅速增大，減弱了對諧振回路的分流。當阻值增大到一定值時，諧振回路起振，諧振電壓幅值V2增大到把燈管點亮。燈管點亮?xí)r（t2），燈管呈現(xiàn)負阻特性，即燈管電流增大，燈管兩端電壓V3降到額定的工作電壓值，預(yù)熱啟動過程結(jié)束，燈管轉(zhuǎn)入正常工作。
圖2 PTCR溫阻曲線圖
圖3 PTCR預(yù)熱啟動電路
圖4 PTCR預(yù)熱啟動過程圖
圖5 PTCR的電壓效應(yīng)
問題在于燈管正常工作后，熱敏電阻PTCR始終處于熱動平衡狀態(tài)，這是因為熱敏電阻不能完全阻斷對燈陰極的分流，熱敏電阻體溫的高低影響著通過電流的大小。通過電流的大小又影響到熱敏電阻體溫的變化。具體地講，當PTCR呈現(xiàn)高阻狀態(tài)時，電流減小，PTCR體溫隨之降低，阻值便減小，又導(dǎo)致流過PTCR的電流增大，如此循環(huán)使熱敏電阻始終處于變化狀態(tài)之中。這種狀態(tài)有如下危害：
⑴ PTCR在預(yù)熱啟動電路中始終有功耗，一般為總功率的4％。使電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈的流明系數(shù)降低。經(jīng)測試，40W熒光燈電子鎮(zhèn)流器PTCR的功耗大于1.6W，18W電子節(jié)能燈PTCR的功耗在0.8W左右。按每瓦功率發(fā)出光通量50流明計，40W和18W的電子鎮(zhèn)流器因此而分別損失70和40流明。
⑵ PTCR的功耗產(chǎn)生的熱量使緊湊型熒光燈和電子鎮(zhèn)流器殼內(nèi)的溫度升高，會造成其它電子元件特別是晶體管和電解電容器損壞，使故障率上升。
⑶ 熒光燈點亮后，燈絲回路因PTCR的存在，始終有電流通過燈絲，由此而形成發(fā)射電流，縮短了陰極的使用壽命。
⑷ 預(yù)熱電路中的PTCR在燈管點亮后，仍處于80℃以上的高溫環(huán)境下，易造成PTCR晶界電阻性能的蛻化，使溫阻系數(shù)改變，預(yù)熱時間變長。蛻化嚴重時啟動瞬間產(chǎn)生的沖擊電流會燒壞功率管。如果陰極長時間處在預(yù)熱啟動狀態(tài)，最終將會損壞燈管和電子鎮(zhèn)流器。
⑸ PTCR最難滿足耐高壓這一指標。當PTCR并聯(lián)于燈管兩端時，要承受較大的開路電壓（一般為1000V左右），這時PTCR的溫阻曲線在高于開關(guān)溫度以后，上升遲緩，如圖5所示。另外，當高頻電流經(jīng)過PTCR時，也會使其溫阻特性曲線在高于開關(guān)溫度TB后上升遲緩，如圖6所示。這些都會使PTCR對燈絲的預(yù)熱性能變差。
另外，我們測試證明PTCR呈現(xiàn)有相當?shù)碾娙萘?。在頻率較高的線路中，使用PTCR與啟動電容C1并聯(lián)，會直接破壞鎮(zhèn)流器的輸出特性。特別是T5型熒光燈，一般要求電子鎮(zhèn)流器的工作頻率在50kHz以上，對其輸出特性影響更嚴重。
圖6 PTCR的頻率效應(yīng)
圖7 氧化鋅壓敏電阻伏安特性
盡管采用PTCR對陰極進行預(yù)熱的方式存在著上述缺點，但目前照明行業(yè)生產(chǎn)的電子鎮(zhèn)流器，凡具備預(yù)熱功能的，絕大多數(shù)仍著采用PTCR預(yù)熱方式，在緊湊型電子節(jié)能燈中，幾乎全部采用PTCR作為預(yù)熱啟動元件。雖然在陰極預(yù)熱方式上存在許多其它的預(yù)熱電路和器件，并有不少專利，但或者因其電路復(fù)雜、成本高，或者因其有機械觸點可靠性差、壽命難以保證等原因，而未能推廣采用。因此在PTCR預(yù)熱啟動的基礎(chǔ)上，改進預(yù)熱元件的性能，使其既能實現(xiàn)預(yù)熱啟動的要求，又能在燈管點亮后，自動關(guān)斷預(yù)熱電路，就成為眾多照明器件廠家進行技術(shù)攻關(guān)的目標。[page]
4.新型熒光燈陰極預(yù)熱啟動元件——智能型PTC熱敏電阻
在對熒光燈陰極預(yù)熱技術(shù)進行了充分研究的基礎(chǔ)上，從理論上突破了對敏感材料應(yīng)用方面的傳統(tǒng)認識，巧妙地利用了敏感材料的固有特性和一般氣體放電燈的負阻特性，我們研制成功了既能滿足熒光燈燈絲預(yù)熱要求，又能自動關(guān)斷的智能元件。
其實施方案是：把具有適當阻值及開關(guān)溫度TB的PTC延遲型熱敏電阻同具有適當?shù)膲好綦妷篣1mA（在此電壓下壓敏電阻Rz的通流為1mA）和通流量的壓敏電阻Rz進行串聯(lián)復(fù)合，使成為智能電阻Ri，用以取代電子鎮(zhèn)流器及電子節(jié)能燈中的普通熱敏電阻PTCR。PTCR的溫阻特性已示于圖2，氧化鋅壓敏電阻的伏安特性，如圖7所示。從圖7可看出，氧化鋅壓敏電阻是對電壓非常敏感的器件，其通流值隨所施加的電壓值的增大而急劇增大，把PTCR和壓敏電阻Rz串聯(lián)復(fù)合成智能電阻Ri，接在電子鎮(zhèn)流器的燈絲預(yù)熱回路中（如圖3所示，去掉普通的PTCR，代之以Ri即可），其作用過程如下：當接通電源瞬間，電子鎮(zhèn)流器的開路輸出電壓（一般為1000VP-P左右），使壓敏電阻Rz導(dǎo)通。適當選擇U1mA,使導(dǎo)通電流等于該燈管的燈絲預(yù)熱電流）燈絲電流經(jīng)Ri流過。適當?shù)剡x擇PTCR阻值、體積及開關(guān)溫度TB，使在0.4s(1s達到此開關(guān)溫度后，Ri中的PTCR阻值驟增至高阻狀態(tài)。這樣，一方面限制了壓敏電阻的通流量，一方面使Ri=Rz＋PTCR支路近于開路，這時由L和C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振回路（見圖3）起振，諧振電壓U2（見圖4）增大到把燈管點亮，燈點亮后呈負阻特性，燈管兩端電壓下降到燈管正常工作電壓，此燈管工作電壓一般遠低于所選定的壓敏電阻的壓敏電壓U1mA，所以，燈點亮后，Rz自行關(guān)斷。Ri=Rz＋PTCR處于“休閑狀態(tài)”。
可見，該智能型PTC熱敏電阻是利用PTC熱敏電阻的延遲特性來完成燈絲預(yù)熱時間和PTC熱敏電阻的限流特性來保護壓敏電阻Rz不至于“過荷”而燒壞；又利用壓敏電阻Rz的壓敏電壓U1mA特性和熒光燈管的負阻特性滿足預(yù)熱電流并關(guān)斷預(yù)熱回路。這樣Rz與PTCR的串聯(lián)復(fù)合體－智能熱敏電阻Ri，就能完成熒光燈燈絲預(yù)熱及"關(guān)斷”功能。使用智能熱敏電阻Ri，不需要改變原電子鎮(zhèn)流器的電路參數(shù)，只需用相應(yīng)規(guī)格的智能熱敏電阻Rpi替換PTCR即可。使用中，接通電源，智能熱敏電阻就通過電流對燈絲進行預(yù)熱，在燈管點亮后，智能熱敏電阻近于開路狀態(tài)，關(guān)斷了預(yù)熱回路，自身功耗近于零，相當于一個無觸點的自動開關(guān)。
在電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻有如下特點和優(yōu)越性
（1） 完全可以按各種規(guī)格的熒光燈預(yù)熱電流的要求，在0.4s～2s的時間里，使燈絲達到預(yù)熱要求。如菲利浦照明電子（上海）公司對燈絲的預(yù)熱效果，是用燈絲的熱態(tài)與冷態(tài)電阻之比描述的。他們測試了智能熱敏電阻的預(yù)熱效果，熱態(tài)電阻與冷態(tài)電阻與之比在4～5之間，完全符合其預(yù)熱要求。又如上海浦東某獨資照明公司在26W電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻，各項參數(shù)均符合標準要求
（2） 智能熱敏電阻在熒光燈管點亮后，功耗幾乎為零，與PTCR相比，相應(yīng)提高光通量(40～80)流明。同時可使電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈殼體內(nèi)溫度降低，在18W電子節(jié)能燈殼內(nèi)溫度降低(3～5)℃，從而降低了晶體管及電解電容器的熱損壞率，提高了整燈的可靠性。
（3） 智能熱敏電阻在燈管點亮后，關(guān)斷了預(yù)熱回路的電流，這不僅防止了自身性能的蛻化，也減少了燈絲的熱發(fā)射，延長了燈管的使用壽命，如威海北洋集團燈管廠在18W電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻，通斷10萬次之后，解剖觀察陰極，大部分電子粉顏色為白色，陰極損耗正常，北洋照明電器公司進行實驗后認為：在相同條件下，智能熱敏電阻與PTCR相比，燈管發(fā)黑的程度要輕得多，只有PTCR的一半左右，他們的結(jié)論是：采用智能熱敏電阻預(yù)熱啟動，可延長燈管壽命。
（4） 智能熱敏電阻由于其結(jié)構(gòu)上的原因，能充分適應(yīng)電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈產(chǎn)生的高頻高壓的作用條件。經(jīng)過10000次的模擬開關(guān)試驗后，智能熱敏電阻的預(yù)熱啟動特性基本不變。對于燈管老化、燈陰極失去激活、不易啟動的情況，電子鎮(zhèn)流器輸出呈開路狀態(tài)，其開路電壓一般在10000V(GB標準要求小于1500V），此時，智能熱敏電阻仍能承受5s（標準要求鎮(zhèn)流器元件能耐異常狀態(tài)的持續(xù)時間為5s）的高頻高壓，經(jīng)過200次的異常狀態(tài)試驗，預(yù)熱啟動特性變化不顯著。（一般電子鎮(zhèn)流器均有異常狀態(tài)保護電路，當燈管老化、燈不易啟動、輸出端出現(xiàn)高壓、大電流時，保護電路一般會在2s內(nèi)動作，因此，智能熱敏電阻所承受的高頻高壓時間一般只有2s左右，不會到5s，其安全裕度是足夠充分的。
（5） 智能熱敏電阻自身呈現(xiàn)的電容值很小，對電子鎮(zhèn)流器的輸出特性沒有影響。
總結(jié)：
總之，節(jié)能燈用智能型PTC熱敏電阻以其獨有的自動通斷性能，克服了PTC在熒光燈陰極預(yù)熱問題上存在的缺點，而且性能價格比也比較優(yōu)越，使用安全可靠，是電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈比較理想的預(yù)熱元件。
